物理化学在制药工程领域的应用

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物理化学在制药工程领域的应用

本文主要从新药的研制、新剂型的设计、药物的分离和纯化三个方面探讨了物理化学内容与制药工程专业内容的相互联系。物理化学知识已经渗透到制药领域的各个方面，为了提高学生学习物理化学的兴趣，为后续的专业发展打下坚实的基础，物理化学教师应加强自身对药学知识的积累，深知物理化学基础知识对制药工程专业课内容的指导作用，并加强二者之间的相互联系。



标签：物理化学;制药工程;应用

1 物理化學在新药的研制中的应用

1.1 药物提取工艺的设计

药物提取技术的设计是中药生产中的重要组成部分。如何提高中药活性成分的产量，直接关系到中药生产的成本和经济效益。因此，有必要利用理化动力学和热力学知识，为中药提取提供可靠的工艺条件。根据Fick扩散的第二定律，储茂泉建立了中药提取过程的动力学方程。通过对有效成分甘草、五味子、麦冬和丹参酮提取的实验，结果和动力学方程有很好的一致性。速率常数不仅与温度有关，而且与颗粒半径平方成反比，与内扩散系数成正比。这些实验数据为优化中药提取工艺提供了有价值的理论依据。欧阳平等通过对苦叶七中黄酮类化合物提取工艺的实验研究，发现从苦叶七中提取出的黄酮类化合物均符合一级动力学模型。在此基础上，可以计算出一系列有价值的动力学和热力学数据，包括速率常数、活化能、相对萃取残渣率、半衰期和平衡常数、摩尔焓变化、摩尔熵变化、摩尔吉布斯焓变化和摩尔亥姆霍兹焓变化，为苦叶七黄酮的提取工艺设计和操作条件的选择提供了有用的理论依据。



1.2 药物合成条件的预测

药物的合成条件的预测是基于热力学理论的。通过计算合成路线中各步骤的热量和自由能数据来确定合适的反应条件，从而为药物合成和进一步研究提供了科学依据。对于一个药物的恒压合成反应来说，可以根据吉布斯自由能做判断依据，根据Gibbs-Helmholtz方程：△G=△H-T△S，如果△H<0、△S>0，则△G<0，则反应是可行的。周淑晶等人利用键能和生成的热力学数据计算苄基嘧啶药物中间体4-溴-3，5-二甲氧基苯甲酸的反应热和自由能△G=-45.3<0。因此，确定所设计的合成反应是热力学条件允许的反应，此路线是可行的。



1.3 药物稳定性及储存期的预测

药物在贮存过程中，常因发生水解、氧化等反应而使含量逐渐降低，乃至失效。预测药物的贮存寿命，是利用化学动力学原理加速药物在较高温度下的降解，并对药物经过数学处理后在室温下的贮存寿命进行外推得到的。加速试验的方法可分为恒温法和变温法两大类。康文艺等用初始平均速度法和高效液相技术测定




了不同温度下金银花中绿元酸的含量。获得到金银花的活化能Ea和分解速率常数K，并对金银花的有效期进行了预测。詹先成等采用指数程序升温试验结合漫反射光谱法测定维生素C片的表面反射率，从而预测了维生素C的贮存期。



2 物理化学在药物分离和纯化中的应用

中草药和天然产物中活性成分的提取直接关系到产品中活性成分的含量，影响其内在质量、临床疗效、经济效益和GMP的实施。相平衡和表面现象在中药的提取、分离等方面有着实际的应用，如分离提纯常采用蒸馏、结晶、萃取和吸收等方法都与物理化学知识相关。



2.1 传统的中药提取分离方法

在中药制剂生产中的应用，中药提取方法包括溶剂萃取和蒸汽蒸馏。溶剂提取方法有：浸渍法、渗透源法、水煎法、回流提取法、连续提取法等。分离纯化的方法包括：系统的溶剂分离、两相溶剂提纯、沉淀法、盐析法、透析法、结晶法和分馏法。胡女丹等利用AspenPlus软件分析了在0.5KPa下柠檬烯与其他主要成分的相平衡关系，并比较了柑橘皮精油的其他主要成分和柠檬烯的分离难易度。以椪柑皮精油为研究对象，建立椪柑皮蒸馏分离模型，并对橘皮油进行了工艺的模拟和优化计算。在最佳工艺条件下，得到97%柠檬烯，其回收率为91%。



2.2 现代的中药提取分离方法

近年来，在中药提取分离中出现了许多新的技术和新方法。如超临界流体萃取、膜分离、超细粉碎、中药絮凝分离、半仿生萃取、超声波萃取、旋流萃取、逆流加压萃取、酶、大孔树脂吸附、超滤、分子蒸馏等。这些新技术、新方法的应用，使中药的提取不仅符合中医药理论，而且提高了有效成分的产率和纯度。因此，在中药研究中应用新的提取技术是实现中药现代化的重要途径，将为实现中药的现代化注入新的活力。李金华等采用scCO2萃取珊瑚姜，出油率提高到8%～12%，提取时间缩短为1～2小时，由于萃取过程始终在低温条件下进行，完整的保留了珊瑚姜的纯天然香气。



3 制药废水的处理方法

3.1 光化学基团对药物的降解

光化学在非生物转化过程是最重要的。在这样的介质中的间接光解的氧化剂物种与这些化合物的完全转化相关。转化产物可能比以前的化合物持久性及毒性更强。在与环境类似的条件下，卡巴拉汀在三种天然水体中（雨水、湖泊、河流）的单和多色波长下，光作用下的直接降解。并使用不同的天然基团（H2O2、NO3-、NO2-）产生的羟基自由基对卡巴拉汀进行降解，研究表明 NO2-和 NO3-增强卡巴拉汀的转化。除了羟基自由基，在天然介质中 NO/NO2自由基对污染物也有降解作用。根据其产物，显示羟基自由基和 NOx 自由基对在水中卡巴拉汀的转化产生协同作用。在三种自然水体中的降解率比那些仅是光化学反应产生羟基的




高。用亚硝酸盐和硝酸盐作为光化学中羟基自由基的来源，卡巴拉汀的降解不仅仅是羟基自由基的反应，NO 和 NO2自由基在间接降解中起了很大作用。



3.2紫外光/过氧化氢对药物的降解

防治微污染物的有效屏障是紫外光/过氧化氢过程，在这个过程中有机化合物通过光子碰撞和羟基反应被降解。但是紫外光/过氧化氢过程的去除效率取决于水体的基质，紫外光的过程条件和特定的目标有机化合物。由于药物的分子构造中的很大的可变性，一些物质对紫外光和羟基都非常敏感，而另外一些物质仅仅对其中一种敏感，而有一些对两种都不敏感。大量的药物的降解已经在这个不同条件的紫外光/过氧化氢过程中进行了研究。仅仅通过紫外光解作用甲硝唑的降解很小，多色辐射源比单色辐射源引起较高的降解。加入 H2O2后药物的降解大大提高，几乎所有的药物都表现出很高的降解性，除了二甲双胍、尼克酸和泛影酸。它们出现了相反的效果：光解作用有最重要的作用，而羟基氧化的作用很小。对所有水体类型和实验条件，多色介质压力（MP）灯产生比单色低压（LP）灯更高的降解性。最大的不同在直接光解的情况下被发现，所有的 MP 灯都表现出比 LP 灯更高的氧化降解性，尽管差别比直接光解降解少。当应用紫外光和过氧化氢，大多数的药物都被很好的去除。但是，降解速率在不同药物之间的差异很大。例如酮洛芬、强的松、心得乐很好地在紫外光/过氧化氢中被去除，而二甲双胍、环磷酰胺、异环磷酰胺则极少在紫外光/过氧化氢中被去除。



4 结束语

目前，物理化学是高等医药院校制药工程专业学生的一门重要专业必修基础课程。在制药工程专业知识体系中占有重要的地位。此课程面向于大二制药工程专业学生开设，其综合了无机化学、有机化学、分析化学、生物化学、物理学、高等数学等这些基础课程的基本知识，为后续课程的学习提供方法和理论指导，如药物化学、天然药物化学、药理学、药学和药代动力学等，并起到基础课程和专业课程的纽带作用。为了激发药学学生，尤其是制药工程专业的学生对学习物理化学的兴趣，从而提高物理化学课堂教学的效果，本文主要从新药的研制、新剂型的设计、药物的分离和纯化这3个方面的研究情况来阐述学好物理化学的重要性和实用性。



参考文献

[1]刘冰倩，舒平，张文倩，周铃锋.制药工程专业物理化学课程教学反思及建议[J].才智，2018（35）：113-114.

本文来源：https://www.wddqxz.cn/d6d10d6e6729647d27284b73f242336c1fb930ee.html